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Chaudière à circulation forcée comportant un séparateur de vapeur dans chaque tube ou groupe de tubes de vaporisation.
Dans la construction des générateurs de vapeur à haute pression, on s'efforce de réduire au minimum la quantité de matière à mettre en oeuvre. A cet effet, on a construit des générateurs de vapeur dans lesquels le liquide à vaporiser est animé d'un mouvement de circulation à travers la chaudière dans toutes ses parties, ces générateurs étant constitués de serpentins et le dégagement de vapeur s'effectuant dans les tubes sans @
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qu'on ait prévu aucune chambre spéciale de vapeur. Or, ces générateurs de vapeur ne peuvent fonctionner que si on les alimente avec une eau de qualité absolument parfaite.
La salinité de l'eau d'alimentation doit être inférieurs à 5 milligrammes par litre si on ne veut pas que l'encrassement intérieur des tubes progresse au bout de peu de temps dans une mesure telle que les tubes se rompent. D'autre part, les générateurs de vapeur de ce type ne peuvent être utilisés lorsque la charge varie fortement, comme cela se produit par exemple à bord des navires, car la pression de la chaudière diminue très rapidement, au cours des manoeuvres, jusqu'à une valeur trop faible. D'autre part, la zone de vaporisation se déplace très fortement dans les serpentins, de sorte qu'il se produit de grandes variations de surchauffe.
D'autre part, on a construit des chaudières à circulation forcée dans lesquelles on fait circuler au moyen d'une pompe dans les systèmes tubulaires une quantité d'eau qui est un multiple .le la quantité d'eau à vaporiser, par exemple une quantité d'eau égale à dix fois celle qui doit être vaporisée. pour séparer la vapeur et l'eau, on prévoit, dans les chaudières à circulation forcée, des tambours pour l'eau et la vapeur, qu'il serait souhaitable d'éviter précisément aux pressions élevées. D'autre part, dans ces chaudières la vapeur a une forte tendance à entrainer de 1 'eau, bien qu'on fasse déboucher les serpentins au-dessus du niveau de l'eau pour éviter ce phénomène.
En effet, le mélange d'eau et,de vapeur sort ordinairement par impulsion, et l'eau qui a été finement divisée par ce isce par /
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moyen dans la vapeur est entrainée, malgré les surfaces de choc qui ont été prévues et malgré les dispositifs analogues, vers le surchauffeur et de ce dernier vers le moteur. Par conséquent, les générateurs de vapeur connus à circulation forcée ne conviennent non plus lorsque l'eau d'alimentation contient du tartre ou des sels et lorsque les pressions de fonctionnement sont très élevées.
Le but de la présente invention est de réaliser un générateur de vapeur de grande puissance, pour des débits de vapeur importants, fonctionnant par circulation forcée, et dans lequel la séparation de la vapeur s'effectue non pas dans un tambour pour l'eau et la vapeur, mais dans un séparateur tubulaire de vapeur prévu dans chaque tube ou chaque groupe de tubes. Comme le mélange qui sort contient, en volume, dans le cas d'une circulation forcée, environ 30 à 50 % d'eau et davantage, il ne peut pas se produire dans le tube même une séparation suffisante de l'eau et de la vapeur.
Pour favoriser cette séparation du mélange, on monte, selon la présente invention, avant chaque dispositif de séparation de la vapeur, un organe d'étranglement à l'extrémité adjacente de sortie du tube. Le dispositif @ d'étranglement peut être exécuté par exemple sous la forme d'une simple rondelle en segment de cercle dans la pertie supérieure du tube, ou bien sous le forme d'une buse.
Ce qui est essentiel à cet égard, c'est que l'eau soit évacuée sans perturbation et que la vapeur soit évacuée de l'emplacement de séparation aussi sèche que possible. Dans une chaudière à circulation forcée de ce type, il ne faut aucun tambour, et il ne faut
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au contraire que de petites chambres collectrices, dans lesquelles on réunit la vapeur ou l'eau qui sort des différents tubes ou groupes de serpentins. lesfrais de fabrication et le poids des chaudières de ce type sont par conséquent réduits. Aussi conviennent-elles comme chaudières marines. On obtient une forme d'exécution avantageuse et peu coûteuse en reliant la tubulure de sortie de vapeur du séparateur directement aux serpentins du surchauffeur, car cela permet de supprimer encore des chambres intermédiaires ot des brides ou organes analogues.
Les chaudières de la présente invention présentent le grand avantage qu'on peut les faire fonctionner, comme les générateurs de vapeur à haute pression à grands tambours, avec une eau d'alimentation contenant au litre jusqu'à 100 milligrammes de sels et davantage.
La teneur en eau de la vapeur produite n'est plus, en poids, que d'un ordre inférieur à 1 %.
Ces chaudières de la présente invention offrent encore l'avantage qu'on peut évacuer les boues, de sorte que la concentration basique de l'eau de la chaudière peut être maintenue à une valeur déterminée. D'autre part, il peut également se produire dans ces chaudières de fortes variations de la charge sans qu'il y ait lieu de craindre que les différents serpentins se vident d'eau par la vaporisation, comme cela se produit fréquem- ment dans les générateurs à circulation forcée d'un type différent.
Au moyen du dispositif d' étranglement, on réduit fortement dans la partie chauffée des tubes l'ef- fet des diminutions de charge par à-coups violents,
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effet qui se traduit par la vaporisation complète de l'eau contenue dans les tubes. Le niveau de la chaudière qu'on peut observer dans les tubes de retour d'eau peut en même temps être modifié entre de larges limites.
On peut à tout instant vérifier ou contrôler la quantité d'eau contenue dans la chaudière, au moyen d'un niveau d'eau qui est en communication evec les tubes de retour d'eau. Comme le nombre des différents tubes peut être quelconque, on peut exécuter un générateur de vapeur de ce type pour des débits allant jusqu'à 100 tonnes à l'heure et davantage, et pour des pressions de fonctionne. ment allant jusqu'à 100 atmosphères effectives et davantage.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant bien entendu partie de colle-ci.
Ira fig. 1 est une coupe verticale d'une chaudière à circulation forcée conforme à la présente invention.
La fig. 2 représente à plus grande échelle une coupe longitudinale du séparateur de vapeur prévu à l'extrémité d'un tube de vaporisation, et en amont duquel a été disposé un organe d'étranglement.
La fig. 2a est une coupe suivant la ligne IIa- IIa de la fig. 2.
Les fig. 3 et 4 représentent en coupe longitu- dinale des formes d'exécution modifiées du séparateur de vapeur muni d'un organe d'étranglement.
Vans la chambre de combustion 1 de la chaudière à circulation forcée représentée sur la fig. l, on a disposé des serpentins 2 et 3 de vaporisation, et dans
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un carneau vertical 4, situé à coté de la chambre ;le combustion, on a logé un surchauffeur 5 et un réchauffeur 6 pour l'eau d'alimentation. Dans leur partie inférieure, les tubes de vaporisation 2 et 3 des serpentins sont disposas le long de la paroi qu'ils refroidissent, tandis qu'ils sont chauffés dans cette partie par rayonnement.
Dans leur partie supérieure ils se continuent par ,les spires qui traversont la chambre de combustion et qui sont chauffées par conduction. Par leurs extraites inférieures, les tubes de vaporisation 2 sont branchés sur un collecteur 7, et les tubes de vaporisation 3 sur un collecteur 3. On introduit l'eau ians les collecteurs 7 et 8 sous pression à l'aide d'une pompe de circulation par l'intermédiaire d'une conduite 10 sur laquelle sont dérivées les conduites 12 et 13. La conduite d'aspiration 14 de la pompe de circulation9 prend sur un collecteur 15.
Ce collecteur 15 est relé par une conduite 16 au réchaufleur 6 d'eau d'alimentation qui est alimenté par une pompe 17.
Dans les extrémitées des tubes de vaporisation 2 et 3 qui sortent de la chambre de combustion, on a monté, conformément à la présente invention, des séparateurs tubulaires de vapeur, munis d'un organe d'étran- glemento Dans l'exemple d'exécution représenté cur les figures 2 at 2a, on a raccordé, à l'endroit de la séparation de la vapeur, à l'extrémité du tube 3 un tube 18 appliqua contre le tube 3 dans le sens de sa longueur.
Dans la cloison 19 de séparation des tubes 3 et 18, on a prévu des trous ou des fentes 20 qui établissent une commnucation entre les deux tubes. Le tube 3 est rac- corde au moyen d'un coude 21 à un collecteur supérieur
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22, que des tubes descendants 23 mettent en communication avec le collecteur inférieur 15. Le tube 18 est relié par un tube 24 à un ou plusieurs serpentins du surchauffeur 5.
Dans le sens de circulation du mélange de liquide et de vapeur, on a inséré dans le tube 3 de vaporisation une section étranglée avant le séparateur de vapeur, c'est-à-dire avant les ouvertures 20 de communication avec le tube 18. Cette section étranglée est obtenue dans l'exemple des figures 2 et 2a par une plaque 25 en forme de segment de cercle, disposée dans la partie supérieure du tube 3. Cette plaque est munie, dans sa partie supérieure, d'un ou de plusieurs orifices 26 pour le passage de la vapeuro La plaque d'étranglement provoque une retenue du mélange de vapeur et d'eau en amont de l'emplacement où se fait la séparation de la vapeur, de sorte que dans le tube de mélange l'eau et la vapeur peuvent déjà se s6parer d'une façon certaine.
L'eau reste dans la partie inférieure du tube, et la vapeur monte dans la moitié supérieure.
Après la section étransglée, l'eau continue de s'écouler dans la partie inférieure du tube 3, de sorte qu'il existe dans la partie supérieure du tube une chambre de dégagement de la vapeur, dans laquelle peut également passer par les orifices 26 du disque 25 la vapeur qui a été dégagée avant la section étranglée
Comme la section étranglée est disposée à l'extérieur de la chambre de combustion et que par con- . séquent la longueur de tube à l'intérieur de laquelle la vapeur se sépare n'est plus chauffée, cette section du tube ne peut plus se vider d'eau par vaporisation
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complète de cette dernière.
Par conséquent, on réalise des conditions particulièrement favorables pour la séparation d'une vapeur sèche. ntre le collecteur supérieur 22 et le collecteur inférieur 15, on a disposé un tube vertical 27 muni d'un niveau d'eau 28. ;Jans ce tube vertical, on peut disposer d'une manière connue un flotteur pour un régulateur d'arrivée de l'eau d'alimentation dans le collecteur 15. Le cas échéant, on pourrait prévoir entre les tubes descendants 23 et le's collecteurs 7 et 8 des tubes descendants supplémentaires 29 dans lesquels ont été montés des obstacles empêchant la circulation de l'eau en sens.contraire, par exemple des clapets de retenue ou des buses d'étranglement. Tant que la pompe de circulation fonctionne, ces tubes descendants supplémentairos sont fermés.
Si la pompe de circulation s'arrête, il peut se produire un courant de circulation qui part des tubes de vaporisation et qui passe par les séparateurs de vapeur, le collecteur 22, les tubes descendants 23, les tubes descendants supplémentaires 29 et les collecteurs 7 et 8. La chaudière peut alors fonctionner au moins temporairement avec un courant naturel de circulation. Lorsque la pompe de circulation est entrainée par un moteur à vapeur, on peut aussi mettre une telle chaudière en service par exemple sans dispositif auxiliaire.
Dans l'exemple d'exécution de la fig.3, le séparateur tubulaire de vapeur est formé par un élément de tube 30 d'un diamètre supérieur à celui du tube 3 par lequel arrive le mélange et le dispositif d'étran- glement est formé par une buse 31 montée à l'endroit
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où le tube 3 se raccorde avec l'élément de tube 30.Audessus de la buse, on a disposé une petite rainure 31', pour permettre à la vapeur de passer en partie directe* ment dans la chambre 32 de dégagement de la vapeur de l'élément de tube 30. La chambre 32 de dégagement de la vapeur est munie d'une tubulure 33 d'évacuation de la vapeur, sur laquelle est branché le tube 24 qui conduit au surchauffeur (Fig. 1).
Une tubulure de raccordement 35 relie la chambre d'eau 34 de l'élément de tube 30 au coude 21 relié au collecteur 22 (fig.l). Le jet du mélange d'eau et de vapeur sort de la buse 31 à grande vitesse et pénètre dans l'élément de tube évasé 30 où les bulles de vapeur se' séparent du mélange en se dirigeant vers la chambre 32 de dégagement de la vapeur.
L'exemple d'exécution de la fig.4'est semblable, dans. ses parties essentielles, à celui de la fig. 3. Toutefois, on introduit dans le tube évasé 30 un tube perforé 36 placé suivant l'axe de la buse 31. Le jet du mélange qui sort de la buse gagne le tube d'écoulement 37 en passant à l'intérieur du tube perforé 36. Dans ce parcours, les bulles de vapeur sortent du jet formé par le mélange et pénètrent, en passant par les ouvertures du tube perforé, dans la chambre de vapeur qui entoure ce tube perforé, et dont la vapeur s'échappe en passant par la tubulure 33.
L'eau qui a pu s'accumuler dans l'élément de tube 30 endessous du tube perforé peut s'écouler par un tube de 'jonction 38 vers le tube d'évacuation 37. On pourrait aussi disposer la buse 31 excentriquement par rapport à l'élément de tube évasé, de façon qu'elle débouche dans la moitié inférieure de l'élément de tube. Il suffirait alors de disposer l'organe perforé, rapporté à l'intérieur, dans la moitié supérieure de l'élément de tube 30 et de l'exécuter sous la forme d'une tôle bombée.
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Forced circulation boiler with a vapor separator in each tube or group of vaporization tubes.
In the construction of high pressure steam generators, every effort is made to minimize the quantity of material to be used. For this purpose, steam generators have been constructed in which the liquid to be vaporized is driven by a movement of circulation through the boiler in all its parts, these generators being made up of coils and the release of steam taking place in the tubes without @
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that no special steam chamber was provided. However, these steam generators can only work if they are supplied with water of absolutely perfect quality.
The salinity of the feed water must be less than 5 milligrams per liter if the internal fouling of the tubes is not to progress after a short time to such an extent that the tubes rupture. On the other hand, steam generators of this type cannot be used when the load varies greatly, as occurs for example on board ships, because the pressure of the boiler decreases very quickly, during maneuvers, until at too low a value. On the other hand, the vaporization zone moves very strongly in the coils, so that large variations in superheating occur.
On the other hand, boilers with forced circulation have been built in which a quantity of water is circulated by means of a pump in the tubular systems which is a multiple of the quantity of water to be vaporized, for example a amount of water equal to ten times that to be vaporized. in order to separate the steam and the water, in forced circulation boilers, drums for water and steam are provided, which it would be desirable to avoid precisely at high pressures. On the other hand, in these boilers the steam has a strong tendency to entrain water, although the coils are made to discharge above the water level to avoid this phenomenon.
Indeed, the mixture of water and steam usually comes out by impulse, and the water which has been finely divided by this isce by /
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medium in the steam is driven, despite the impact surfaces that have been provided and despite similar devices, towards the superheater and from the latter to the engine. Therefore, the known forced circulation steam generators are not suitable either when the feed water contains scale or salts and when the operating pressures are very high.
The aim of the present invention is to provide a high power steam generator, for high steam flow rates, operating by forced circulation, and in which the steam separation takes place not in a drum for water and steam, but in a tubular steam separator provided in each tube or group of tubes. Since the mixture which comes out contains, by volume, in the case of forced circulation, about 30 to 50% water and more, there cannot be in the tube even a sufficient separation of water and gas. steam.
To promote this separation of the mixture, is mounted, according to the present invention, before each steam separation device, a throttling member at the adjacent outlet end of the tube. The throttling device can be executed, for example, in the form of a simple ring segment of a circle in the upper part of the tube, or else in the form of a nozzle.
What is essential in this regard is that the water is discharged without disturbance and that the steam is discharged from the separation location as dry as possible. In a forced circulation boiler of this type, no drums are needed, and no
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on the contrary that of small collecting chambers, in which one brings together the vapor or the water which leaves the various tubes or groups of coils. the manufacturing costs and the weight of boilers of this type are therefore reduced. They are therefore suitable as marine boilers. An advantageous and inexpensive embodiment is obtained by connecting the steam outlet pipe of the separator directly to the coils of the superheater, since this makes it possible to further eliminate intermediate chambers ot flanges or the like.
The boilers of the present invention have the great advantage that they can be operated, such as high pressure large drum steam generators, with feed water containing per liter up to 100 milligrams of salts and more.
The water content of the steam produced is no longer, by weight, of an order of less than 1%.
These boilers of the present invention also offer the advantage that the sludge can be removed, so that the basic concentration of the water in the boiler can be maintained at a determined value. On the other hand, it can also occur in these boilers of strong variations of the load without there being to fear that the various coils are emptied of water by the vaporization, as often occurs in the forced circulation generators of a different type.
By means of the throttle device, in the heated part of the tubes, the effect of the load decreases by violent jolts is greatly reduced,
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effect which results in the complete vaporization of the water contained in the tubes. At the same time, the level of the boiler which can be observed in the return water pipes can be varied within wide limits.
The quantity of water contained in the boiler can be checked or controlled at any time, by means of a water level which is in communication with the water return pipes. Since the number of different tubes can be any, one can execute a steam generator of this type for flow rates up to 100 tons per hour and more, and for operating pressures. up to 100 effective atmospheres and more.
The description which will follow with regard to the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the drawing and from the text, of course, forming part of the glue.
Ira fig. 1 is a vertical section of a forced circulation boiler according to the present invention.
Fig. 2 shows on a larger scale a longitudinal section of the vapor separator provided at the end of a vaporization tube, and upstream of which a throttling member has been placed.
Fig. 2a is a section taken along line IIa-IIa of FIG. 2.
Figs. 3 and 4 show in longitudinal section modified embodiments of the vapor separator provided with a throttle member.
In the combustion chamber 1 of the forced circulation boiler shown in fig. l, we arranged the coils 2 and 3 of vaporization, and in
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a vertical flue 4, located next to the chamber; combustion, a superheater 5 and a heater 6 for the feed water are housed. In their lower part, the vaporization tubes 2 and 3 of the coils are arranged along the wall which they cool, while they are heated in this part by radiation.
In their upper part they are continued by the turns which pass through the combustion chamber and which are heated by conduction. By their lower extracts, the vaporization tubes 2 are connected to a manifold 7, and the vaporization tubes 3 to a manifold 3. Water is introduced into the manifolds 7 and 8 under pressure using a pressure pump. circulation via a pipe 10 on which the pipes 12 and 13 are derived. The suction pipe 14 of the circulation pump9 takes on a manifold 15.
This collector 15 is connected by a pipe 16 to the feed water heater 6 which is supplied by a pump 17.
In the ends of the vaporization tubes 2 and 3 which exit from the combustion chamber, in accordance with the present invention, tubular vapor separators have been fitted, provided with a throttle member. execution shown cur in Figures 2 at 2a, was connected, at the place of the separation of the steam, at the end of the tube 3 a tube 18 applied against the tube 3 in the direction of its length.
In the partition 19 for separating the tubes 3 and 18, there are provided holes or slots 20 which establish a commnucation between the two tubes. Tube 3 is connected by means of an elbow 21 to an upper manifold
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22, which down tubes 23 put in communication with the lower manifold 15. The tube 18 is connected by a tube 24 to one or more coils of the superheater 5.
In the direction of circulation of the mixture of liquid and vapor, a constricted section has been inserted into the vaporization tube 3 before the vapor separator, that is to say before the openings 20 for communication with the tube 18. This constricted section is obtained in the example of Figures 2 and 2a by a plate 25 in the form of a segment of a circle, arranged in the upper part of the tube 3. This plate is provided, in its upper part, with one or more orifices 26 for the passage of steam o The throttle plate causes a retention of the mixture of steam and water upstream of the place where the steam is separated, so that in the mixing tube the water and the vapor can already be separated in a certain way.
The water stays in the lower part of the tube, and the steam rises in the upper half.
After the stretched section, the water continues to flow in the lower part of the tube 3, so that there is in the upper part of the tube a steam release chamber, into which the orifices 26 can also pass. of the disc 25 the vapor which was released before the throttled section
As the constricted section is arranged outside the combustion chamber and that by con-. sequent the length of tube inside which the steam separates is no longer heated, this section of the tube can no longer be emptied of water by vaporization
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full of the latter.
Therefore, particularly favorable conditions are achieved for the separation of dry vapor. Between the upper manifold 22 and the lower manifold 15, a vertical tube 27 provided with a water level 28 has been placed.; In this vertical tube, a float for an inlet regulator can be arranged in a known manner. feed water into the collector 15. If necessary, there could be provided between the down tubes 23 and the collectors 7 and 8 additional down tubes 29 in which have been mounted obstacles preventing the flow of water in direction, for example check valves or throttle nozzles. As long as the circulation pump is running, these additional down tubes are closed.
If the circulation pump stops, there may be a circulation stream which leaves the vaporization tubes and passes through the vapor separators, manifold 22, down tubes 23, additional down tubes 29 and collectors 7 and 8. The boiler can then operate at least temporarily with a natural circulation current. When the circulation pump is driven by a steam engine, such a boiler can also be put into service, for example without an auxiliary device.
In the exemplary embodiment of FIG. 3, the tubular vapor separator is formed by a tube element 30 with a diameter greater than that of the tube 3 through which the mixture arrives, and the throttling device is formed by a nozzle 31 mounted at the place
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where the tube 3 connects with the tube member 30. Above the nozzle, a small groove 31 'has been arranged, to allow the steam to pass partly directly into the chamber 32 of the steam release. the tube member 30. The steam release chamber 32 is provided with a steam discharge pipe 33, to which is connected the tube 24 which leads to the superheater (Fig. 1).
A connection pipe 35 connects the water chamber 34 of the tube element 30 to the elbow 21 connected to the manifold 22 (fig.l). The jet of the water and steam mixture exits the nozzle 31 at high speed and enters the flared tube member 30 where the steam bubbles separate from the mixture on their way to the steam release chamber 32. .
The execution example of fig. 4 is similar, in. its essential parts, to that of fig. 3. However, a perforated tube 36 placed along the axis of the nozzle 31 is introduced into the flared tube 30. The jet of the mixture which leaves the nozzle reaches the flow tube 37 by passing inside the perforated tube. 36. In this course, the vapor bubbles come out of the jet formed by the mixture and enter, passing through the openings of the perforated tube, into the vapor chamber which surrounds this perforated tube, and from which the vapor escapes while passing through tubing 33.
Water which may have accumulated in the tube member 30 below the perforated tube can flow through a junction tube 38 to the discharge tube 37. The nozzle 31 could also be disposed eccentrically with respect to it. the flared tube element, so that it opens into the lower half of the tube element. It would then suffice to place the perforated member, attached to the inside, in the upper half of the tube element 30 and to execute it in the form of a curved sheet.